专利名称：马氏体类不锈钢管的制造方法
技术领域：
本发明涉及马氏体类不锈钢管的制造方法。特别涉及能缩短热处理工艺所需的时 间、高效率地制造马氏体类不锈钢管的方法。
背景技术：
由于马氏体类不锈钢管对CO2的耐蚀性强，所以从以往就被广泛用于油井业等。另 一方面，对于马氏体类不锈钢管，由于其材料的淬透性极高，所以，如果全部用水冷的方式 进行热处理工艺中的淬火的冷却，则容易产生淬裂。为此，马氏体类不锈钢管的热处理工艺 中的淬火，通常是采用需要较长时间的空冷方法，所以制造效率低。为了解决上述制造效率低的问题，例如，在国际公开第2005/035815号公报(专利 文献1)中记载了一种解决方法。该专利文献1中记载的方法是用Ms点(淬火中的冷却时， 钢的马氏体相变开始的温度)附近以外的温度范围，将冷却速度快的水冷和空冷组合起来 的方法。具体地说，专利文献1中公开了将钢管加热，使其奥氏体化后，用水冷、空冷、水冷 的顺序进行冷却的淬火方法。具体地说，公开了在空冷前进行的水冷工序中，使从980°C到 A点(680°C 350°C )的冷却速度为1 40°C /sec地从钢管的外表面进行冷却的技术。另 外，在上述水冷后，使从A点到B点(30°C 150°C )的冷却速度为不足1°C /sec地进行空 冷。如上所述，专利文献1只公开了将空冷前的水冷的冷却速度设定在1 40°C /sec 的范围内。通常认为，为了尽量提高热处理效率，以使上述空冷前的水冷的冷却时间成为最 短的方式加快冷却速度(专利文献1中是40°C /sec)。但是，本发明人们经过锐意研究，发现在马氏体类不锈钢管制造过程中的热处理 工艺中，采用按照水冷、空冷、水冷的顺序进行冷却的方法时，空冷前的水冷的冷却速度越 快，在其后的空冷中，将钢管冷却到规定温度所需的时间越长，总的冷却时间变长。即，如果 空冷前的水冷的冷却速度过快，虽然该水冷的冷却时间缩短，但是总的冷却时间反而加长。
发明内容
本发明是鉴于上述以往技术而做出的，其目的在于提供能缩短热处理工艺中为进 行淬火的冷却所需的时间、且高效率地制造马氏体类不锈钢管的方法。为了解决上述问题，本发明人们经过锐意研究，结果发现，在马氏体类不锈钢管制 造过程中的热处理工艺中，在采用按照水冷、空冷、水冷的顺序进行冷却的方法的情况下， 可获得以下㈧ (C)的见解。(A)空冷前的水冷的速度越快，在其后的空冷中，将钢管冷却到规定温度所需的时 间越长，其原因在于，在水冷刚刚结束时(空冷开始时)钢管的内外表面温度差引起的回热 的影响。具体如下所述。将钢管的外表面水冷时，水冷刚刚结束时的钢管的内表面温度高于外表面温度。因此，在进入空冷的初期阶段，钢管的内表面、内部的热量向外表面传导，这样，就产生了钢 管的外表面温度与水冷刚刚结束时的温度相比上升的回热现象。水冷刚刚结束时的钢管内 外表面的温度差越大，该回热引起的温度上升量(回热量)就越大。回热量越大，水冷后用 空冷将钢管冷却到规定温度所需的时间越长。另外，水冷的冷却速度越大，水冷刚刚结束时 的钢管内外表面的温度差越大。因此，水冷的冷却速度越快(越是在空冷阶段的回热量变 大的条件下进行水冷)，在其后的空冷中将钢管冷却到规定温度所需的时间越长。(B)上述㈧的回热量依存于水冷的冷却速度，并且，也依存于钢管的壁厚。S卩，钢 管的壁厚越大，水冷刚刚结束时的钢管的内外表面温度差越大，回热量也越大。(C)通常，水冷的冷却速度比空冷的冷却速度快得多，所以，通过减低回热量而缩 短的空冷的冷却时间比通过加快水冷的冷却速度而缩短的水冷的冷却时间长得多。因此， 为了缩短淬火时的冷却时间(整个冷却工序所需的时间)，根据钢管的壁厚决定水冷的冷 却速度以使回热量成为规定值以下是至关重要的。本发明人根据上述见解进行进一步研究，结果发现，如果使回热量成为50°C以下 地决定水冷的冷却速度，则即使把水冷后进行的空冷的冷却速度设定为通常采用的速度， 也能缩短淬火时的整个冷却工序所需的冷却时间，可以提高热处理效率，从而提高制造效 率，据此完成了本发明。S卩，本发明是一种马氏体类不锈钢管的制造方法，其特征在于，具有包含加热工 序、第1冷却工序、第2冷却工序和第3冷却工序的热处理工艺；上述加热工序将钢管加热 到其外表面温度为(A3相变点+20°C)以上、980°C以下的规定温度；上述第1冷却工序将上 述被加热后的钢管水冷到其外表面温度为350°C以上的规定温度；上述第2冷却工序将上 述被水冷后的钢管空冷到其外表面温度为250°C以下的规定温度；上述第3冷却工序将上 述被空冷后的钢管水冷或空冷到其外表面温度成为常温。另外，在本发明中，使上述第2冷 却工序中的钢管的外表面温度的回热量为50°C以下地、根据钢管的壁厚决定上述第1冷却 工序中的钢管的冷却速度。另外，在本发明中的"A3相变点”是指在加热工序中钢管材料的奥氏体相变结束的 温度。另外，“外表面温度的回热量”是指在第2冷却工序中，温度最高的钢管的外表面温度 与空冷开始时的钢管外表面温度之差。若采用本发明的马氏体类不锈钢管的制造方法，则能够将在热处理工艺中、尤其 是为进行淬火的冷却时所需的时间(进行第1冷却工序 第3冷却工序所需的时间)缩短， 能够高效率地制造马氏体类不锈钢管。
图1是说明在采用本发明的制造方法的情况下钢管的外表面温度随时间变化的 示意图，图1中(a)是表示钢管外表面温度随时间变化的曲线，图1中(b)表示图1中(a) 所示区域A的放大图。图2是表示本发明实施例中的淬火试验和数值模拟的结果。
具体实施例方式下面，适当参照
本发明的马氏体类不锈钢管的制造方法的一实施方式。
首先说明适用于本发明的制造方法的马氏体类不锈钢管的材料。(I)C :0. 15 0.20 质量％ (下面简记为 “％”)C是为了获得具有适当强度、硬度的钢所需的元素。如果C的含量不足0. 15%, 就无法得到规定的强度。另一方面，如果C的含量超过了 0.20%，则强度过高，难以调节屈 服比、硬度。另外，有效固溶C量增大则容易产生延迟破坏。因此，C的含量优选为0.15 0. 21%，更优选为 0. 17 0. 20%。(2)Si :0. 05 1. 0%Si是作为钢的脱氧剂添加的。为了获得其效果，Si的含量需要在0.05%以上。另 一方面，如果Si的含量超过了 1.0%，则韧性变差。因此，Si的含量优选为0.05 1.0%。 更优选的含量的下限值为0. 16%，最优选的下限值为0.20%。另外，优选含量上限值为 0. 35%。(3)Μη :0· 30 1. 0%Mn也具有与Si同样的脱氧作用，但是，如果其含量不足0. 30%，则效果不明显。另 外，如果含量超过了 1. 0%，则韧性变差。因此，Mn的含量优选为0. 30 1. 0%。为了确保 热处理后的韧性，其含量的上限值优选为0. 6%。(4) Cr 10. 5 14. 0%Cr是使钢具有所需耐蚀性的基本成分。通过使Cr的含量为10. 5%以上，能改善 对点腐蚀及时间性腐蚀的耐蚀性，并且，在CO2环境下的耐蚀性显著提高。另一方面，由于 Cr是铁素体生成元素，所以，如果含量超过14.0%，在高温加工时，容易生成δ铁素体，使 热加工性受损。另外，热处理后的钢的强度降低。因此，Cr的含量优选为10. 5 14.0%。(5) P :0· 020% 以下P的含量多时，钢的韧性变差。因此，P的含量优选在0.020%以下。(6) S :0· 0050% 以下S的含量多时，钢的韧性变差。另外，由于产生偏析，钢管的内表面品质变差。因 此，S的含量优选在0. 0050%以下。(7) Al :0· 10% 以下Al作为杂质存在于钢中，如果其含量超过了 0.10%，钢的韧性变差。因此，Al的 含量优选在0. 10%以下，更优选在0.05%以下。(8)Μο:2·0% 以下将Mo添加到钢中，可获得提高钢的强度、提高耐蚀性的效果。但是，如果其含量超 过2.0%，则钢的马氏体相变变得困难。因此，Mo的含量优选在2.0%以下。另外，由于Mo 是昂贵的合金元素，所以，从经济性方面考虑，其含量优选尽可能少。(9)V:0. 50% 以下将V添加到钢中，可获得提高钢的屈服比的效果。但是，如果其含量超过了 0.50%，则钢的韧性变差。因此，V的含量优选在0.50%以下。另外，由于V是昂贵的合金 元素，所以，从经济性方面考虑，其含量优选在0. 30 %以下。(IO)Nb :0· 020% 以下将Nb添加到钢中，可获得提高钢强度的效果。但是，如果其含量超过了 0.020%， 则钢的韧性变差。因此，Nb的含量优选在0.020%以下。另外，由于Nb是昂贵的合金元素，所以，从经济性方面考虑，其含量优选尽可能少。(Il)Ca :0· 0050% 以下如果Ca的含量超过了 0. 0050%，钢中的杂质增多，钢的韧性变差。因此，Ca的含 量优选在0. 0050%以下。(12) N :0· 1000% 以下如果N的含量超过了 0. 1000%，则钢的韧性变差。因此，V的含量优选在0. 1000% 以下。另外，在该范围内，N的含量较多时，通过增大有效固溶N量，容易产生延迟破坏。另 一方面，N的含量较少时，脱氮工序的效率降低，成为阻碍生产率的原因。因此，N的含量优 选为 0. 0100 0. 0500%。(13) Ti、B、NiTi、B、M能在钢中作为少量的添加物或作为杂质含有。但是，如果M的含量超过 0. 2%，则钢的耐蚀性变差，所以，Ni的含量优选在0. 2%以下。(14) Fe和不可避免的杂质用本发明制造的马氏体类不锈钢管的材料除了含有上述(1) (13)的成分外，还 含有Fe和不可避免的杂质。下面，说明用本发明制造含有上述成分的马氏体类不锈钢管的方法。但是，由于淬 火工序以外的其它工序可采用公知的方法。所以，本说明书中，只说明淬火工序。图1是采用本发明的制造方法时的钢管的外表面温度随时间变化的示意图，图1 中(a)是表示钢管的外表面温度随时间变化的曲线，图1中(b)表示图1中(a)所示区域 A的放大图。另外，为了便于说明，图1中(a)中也一并示出了采用比较例的制造方法时的 钢管外表面温度随时间变化的曲线。如图1所示，在本发明的制造方法中的热处理工艺中， 为了将钢管淬火，包含了加热工序、第1冷却工序、第2冷却工序和第3冷却工序。加热工序是将钢管加热到其外表面温度为(A3相变点+20°C )以上、980°C以下的 规定温度Tl的工序。将钢管的外表面温度加热到(A3相变点+20°C)以上的目的在于使钢 管材料完全相变为奥氏体组织。另一方面，将钢管的外表面温度加热成为980°C以下的原因 在于，如果加热到超过了 980°C，则钢管材料的晶粒粗大化，钢管的韧性降低。另外，形成在 钢管表面的氧化皮的性状恶化，检查时产生不良影响。上述加热工序可以将钢管运入适当的加热炉内进行。另外，为了将钢管的外表面 温度控制在规定温度Tl，只要将加热炉内的炉温设定在温度Tl即可。第1冷却工序是将通过上述加热工序被加热后的钢管水冷到其外表面温度为 3500C以上的规定温度T2的工序。将进行该第1冷却工序的外表面温度的下限值设定为 350°C以上的规定温度T2的原因在于，若在Ms点(钢管材料的马氏体相变开始温度约 330°C左右)附近的温度对钢管进行水冷(以约2V /sec的冷却速度冷却)，则会导致钢管 产生淬裂。上述第1冷却工序可以采用向钢管的外表面喷射冷却水的喷淋方式的水冷装置 等进行。另外，上述第1冷却工序也可以不采用该喷淋方式的水冷却装置，而采用用于除去 钢管外表面的氧化皮的除氧化皮装置进行，或者也可以同时采用除氧化皮装置与该喷淋方 式的水冷却装置。另外，为了将钢管的外表面温度控制为规定温度T2，例如只要将辐射温度 计设置在上述水冷装置内、水冷装置出侧且喷射冷却水直到用该辐射温度计测定的钢管的外表面温度达到T2即可。第2冷却工序是将通过上述第1冷却工序被水冷后的钢管空冷(例如以不足1°C / sec的冷却速度冷却)到其外表面温度为250°C以下的规定温度T3的工序。将进行该第2 冷却工序的外表面温度的下限值设定为250°C以下的原因在于，为了在后续的第3冷却工 序中选择水冷时可靠地避免在上述Ms点附近的温度进行水冷时钢管产生淬裂。上述第2冷却工序可采用具有朝钢管外表面及/或内表面喷射空气的喷嘴等的空 冷装置进行。或者，也可以不采用空冷装置，而使其自然地放冷。另外，为了将钢管的外表 面温度控制为250°C以下的规定温度T3，例如，只要将辐射温度计设置在上述空冷装置内、 空冷装置出侧且喷射空气直到该辐射温度计测定的钢管的外表面温度成为T2即可。第3冷却工序是将通过上述第2冷却工序被空冷后的钢管水冷或空冷到其外表面 温度为常温的工序。如上所述，在第2冷却工序中，由于钢管的外表面温度被冷却到250°C 以下的规定温度T3，不用担心钢管会产生淬裂，所以，为了缩短冷却时间，优选采用水冷。在上述第3冷却工序中采用水冷时，可采用与第1冷却工序中使用的同样的水冷 装置等。另一方面，在上述第3冷却工序中采用空冷时，可采用与第2冷却工序中使用的同 样的空冷装置等，另外，当然也可以将第2冷却工序的冷却时间延长而作为第3冷却工序。 另外，为了将钢管的外表面温度控制为常温，例如，只要将辐射温度计设置在上述水冷装置 (或空冷装置)内、水冷装置(或空冷装置)出侧且喷射冷却水(或空气)直到该辐射温度 计测定的钢管外表面温度成为常温即可。本发明的制造方法的特征在于，使得上述说明的第2冷却工序中的钢管的外表面 温度的回热量S T(见图1中(b))成为50°C以下地、根据钢管的壁厚决定第1冷却工序中 的冷却速度。在图1中(a)所示的比较例的情况下，由于第1冷却工序中的冷却速度比本发明 快，所以，钢管的外表面温度从Tl降到T2的时间tl'比本发明中的时间tl短。但是，在比 较例的情况下，由于第1冷却工序中的冷却速度较快，所以，在第1冷却工序刚刚结束时的 钢管内外表面的温度差变大，回热量3 1~超过501。因此，在第2冷却工序中，钢管的外表 面温度达到250°C以下的规定温度T3的时间t2'比本发明中的时间t2长。在此，由于第1冷却工序中的水冷的冷却速度比第2冷却工序中的空冷的冷却速 度快得多，所以，如图ι中(a)所示，通过降低回热量而缩短的空冷的冷却时间(t2' -t2) 比通过加快第1冷却工序中的冷却速度而缩短的水冷的冷却时间(tl-tl')长得多。因 此，如本发明这样，使回热量S T成为50°C以下地决定第1冷却工序中的冷却速度，使第2 冷却工序的冷却时间大幅度缩短，则可以使整个冷却工序(第1冷却工序、第2冷却工序和 第3冷却工序)所需的时间比比较例缩短。即，可以使(tl+t2+t3) < (tl' +t2' +t3')。另外，上述的回热量δ T与钢管的壁厚有关，所以，如上所述，只要根据钢管的壁 厚决定第1冷却工序中的冷却速度即可。另外，第1冷却工序中的冷却速度例如可以通过调节从上述水冷装置等喷射的冷 却水的每单位时间水量来控制。另外，第2冷却工序中的回热量δT例如可通过将辐射温 度计设在上述空冷装置内且检测利用该辐射温度计测定的钢管外表面温度的变化量(从 空冷刚刚开始后的变化量)来测定。另外，只要使测定的回热量δΤ成为50°C以下地调节 第1冷却工序中的每单位时间的水量即可。
如上所述，根据本发明的制造方法，由于缩短了淬火时的冷却时间(进行第1冷却 工序 第3冷却工序所需的时间tl+t2+t3)，所以，可高效率地制造马氏体类不锈钢管。下面，通过表示实施例更清楚地说明本发明的特征。对外径为180mm、壁厚分别为5mm、10mm、15mm的钢管实施了淬火试验。具体地说， 对具有上述尺寸、含有表1所示成分的钢管加热，使其外表面温度成为950°C (相当于本发 明的加热工序)。再把该被加热后的钢管水冷，使其外表面温度成为350以上的规定温度 (目标温度500°C)(相当于本发明的第1冷却工序)。接着，将该被水冷后的钢管空冷，使 其外表面温度成为250°C以下的规定温度(目标温度200°C)(相当于本发明的第2冷却工 序)，再将其水冷到常温(相当于本发明的第3冷却工序)。表1
元素 CSiMnPSCrAlCa质量％0. 1800. 3100. 4000. 0180. 002612. 580.00080.0006 在上述第1冷却工序中，先用除氧化皮装置将钢管的外表面温度从950°C冷却到 8500C，接着，采用向钢管的外表面喷射冷却水的喷淋方式的水冷装置将外表面温度冷却到 350°C以上的规定温度(目标温度500°C)。这时，调节从水冷装置喷射的冷却水的每单位 时间水量，将冷却速度变更为各种值。另外，上述第2冷却工序是采用具有向钢管外表面和 内表面喷射空气的喷嘴等的空冷装置进行的。另外，上述第3冷却工序是采用与上述第1 冷却工序中使用的同样的喷淋方式的水冷装置进行的。将辐射温度计设置在第1冷却工序中使用的水冷装置的出侧，测定水冷刚刚结束 时(空冷开始时)的钢管的外表面温度。另外，一边进行第2冷却工序，一边用便携式辐射 温度计测定钢管的外表面温度，检测所测定的外表面温度的变化量，从而测出外表面温度 的回热量。另一方面，与上述淬火试验并行地，用基于传热计算的数值模拟算出第1冷却工 序刚刚结束时的钢管内外表面温度。具体地说，基于下式(1)算出钢管内外表面温度的每 单位时间的温度变化量Δ T，将该温度变化量Δ T以第1冷却工序的冷却时间进行时间积 分，这样，算出钢管的外表面温度从850°C到500°C时的内表面温度。ΔΤ = tw+{(tm-tw)X(X/ag)}/(X/ag-AX/2)··· (1)上式⑴中，Δ T是每单位时间的温度变化量，tw是冷却水的水温，tm是钢管的温 度，λ是钢管的导热系数，Cig是导热系数(外表面是水和钢管之间的导热系数，内表面是 空气和钢管之间的导热系数)，△ X是钢管的单位厚度。另外，如下式(2)所示，钢管的内外表面温度受钢管壁厚方向的温度分布的影响。tmx = {t ηι(Χ-ΔΧ/2)+ ηι(Χ+ΔΧ/2)} /2- · ·⑵
在上述式⑵中，tmx是在壁厚方向离开钢管表面(内表面或外表面)的距离X位 置处的钢管的温度。因此，用本数值模拟算出的钢管的表面(内表面或外表面)温度是将上述式(1) 时间积分获得的钢管的表面(内表面或外表面)温度与在壁厚方向距该表面ΔΧ处的壁中 部的温度的中间值。上述式⑴所示的导热系数(钢管的外表面的导热系数)α g是由冷却水的每单 位时间水量及钢管的温度决定的值。因此，在数值模拟中，根据上述淬火试验时设定的冷却 水的每单位时间水量改变了该导热系数ag。图2表示上述淬火试验和数值模拟的结果。另外，图2中所示的“冷却时间”和“冷 却速度”，是指在第1冷却工序中采用喷淋方式的水冷装置的冷却时间和冷却速度。另外， “外表面温度”和“内表面温度”是指第1冷却工序刚刚结束时的钢管的外表面温度和内表 面温度。另外，“总冷却时间”是指整个冷却工序(第1冷却工序、第2冷却工序、第3冷却 工序)所需的冷却时间。另外，图2中所示的“评价”栏中，相对于将第2冷却工序中的回热 量假设为0°C时所需的总冷却时间，需要1. 3倍以上的总冷却时间时为“ X ”，需要不足1. 3 倍的总冷却时间时为“O”。如图2所示，试验证明，如果使回热量成为50°C以下地决定水冷的冷却速度(试验 No. 1 6、9及10)，可以缩短整个冷却工序所需的冷却时间。另外，使回热量为50°C以下 所需的冷却速度，即使回热量大致相同，也因钢管的壁厚不同而不同(例如，即使回热量同 样为47°C，冷却速度(实测值)在试验No. 4中是59°C /sec，而在试验No. 10中，是14°C / sec。)因此，需要根据钢管的壁厚来决定第1冷却工序中的钢管的冷却速度。另外，从数值 模拟的结果可知，为了使回热量成为50°C以下，需要使第1冷却工序刚刚结束时的钢管的 内外表面温度差为约100°C以下。
权利要求
一种马氏体类不锈钢管的制造方法，其特征在于，具有包含加热工序、第1冷却工序、第2冷却工序和第3冷却工序的热处理工艺；其中，上述加热工序将钢管加热到其外表面温度为(A3相变点+20℃)以上、980℃以下的规定温度；上述第1冷却工序将上述被加热后的钢管水冷到其外表面温度为350℃以上的规定温度；上述第2冷却工序将上述被水冷后的钢管空冷到其外表面温度为250℃以下的规定温度；上述第3冷却工序将上述被空冷后的钢管水冷或空冷到其外表面温度为常温，根据钢管的壁厚决定上述第1冷却工序中的钢管的冷却速度以使上述第2冷却工序中的钢管的外表面温度的回热量成为50℃以下。
全文摘要
本发明提供一种能缩短热处理工艺中为进行淬火的冷却所需的时间、且高效率地制造马氏体类不锈钢管的方法。本发明的马氏体类不锈钢管的制造方法的特征在于具有包含将钢管加热到其外表面温度为(A3相变点+20℃)以上、980℃以下的规定温度的加热工序、将上述被加热后的钢管水冷到其外表面温度为350℃以上的规定温度的第1冷却工序、将上述被水冷后的钢管空冷到其外表面温度为250℃以下的规定温度的第2冷却工序、将上述被空冷后的钢管水冷或空冷到其外表面温度为常温的第3冷却工序的热处理工艺。另外，使上述第2冷却工序中的钢管的外表面温度的回热量成为50℃以下地、根据钢管的壁厚决定上述第1冷却工序中的钢管的冷却速度。
文档编号C21D9/08GK101932736SQ20088001043
公开日2010年12月29日 申请日期2008年3月26日 优先权日2007年3月30日
发明者森伸行 申请人:住友金属工业株式会社